做实验时感到困倦吗？关注顶级杂志，开始磨香“咖啡”！《Matter》 一篇文章详细解释

在咖啡研磨过程中，咖啡颗粒会产生静电，导致颗粒聚集在一起。聚集的颗粒给浓咖啡的制备带来了障碍。近日，美国俄勒冈大学Christopher H. Hendon和Joshua Mendez Harper教授团队针对湿度如何控制咖啡研磨过程中的摩擦起电进行了研究。该研究成果于12月6日发表在《Matter》上，标题为《咖啡研磨过程中的水分控制摩擦起电》。

在咖啡研磨过程中，颗粒通过摩擦起电和断裂起电（分别由材料的摩擦和断裂产生的电荷）积累表面电荷。这会导致颗粒聚集在一起并粘附在研磨机上，影响咖啡的产量。通过比较商业烘焙咖啡粉和自烘焙咖啡粉，本文发现烘焙的颜色和研磨的粗细会影响电荷。细咖啡和深色咖啡的电荷量较小。此外，本文还阐明了内部残留水分对静电形成的影响。水分可以调节电荷的大小和极性。外部水的添加同时降低了研磨咖啡和咖啡结块的表面电荷，从而产生不同的咖啡风味和更浓缩的提取物。图1 实验模型图本文利用咖啡对多种分子组成的有机材料的电化学过程进行深入研究。研究证明，（1）传统咖啡参数：烘焙、内部水分含量和研磨设置决定了烘焙咖啡的表面电荷，并解释了原因。 (2)磨削过程中摩擦起电和断裂起电均发生，且大部分起电来自断裂起电。 (3)充电情况取决于咖啡豆的内部和外部水分含量。水分含量越高，电荷积累越少。对于工业生产，不受控制的咖啡灌装可能会导致结块，从而导致产品不均匀和管道堵塞。为了了解静电化的基本原理并冲泡更多可再生、可持续的咖啡，本文提出了控制咖啡表面电荷的策略。

图2 咖啡豆和颗粒表面电荷化

研究人员购买了大量的商业烘焙咖啡，根据加工方法将其进一步分为天然咖啡（N）、水洗咖啡（W）和脱咖啡因咖啡（D）。除非指定为混合咖啡(B)，否则单一产地咖啡。烘焙咖啡的颜色通过分光光度法定量。为了评估咖啡豆的表面电荷，将星巴克金色浓缩咖啡烘焙咖啡沿着涂有各种材料的振动坡道滚下。最后，咖啡豆被收集到法拉第杯中，记录电荷和重量。咖啡通常在金属表面上带有少量电荷，但当与电介质接触时可能会获得相对较大的电荷。为了评估咖啡对其他材料的充电效果，在咖啡研磨环境中的咖啡豆和其他常见材料之间创建了一系列异构界面。研究发现，咖啡与聚氯乙烯（PVC）和双轴取向聚对苯二甲酸乙二醇酯等塑料接触时带正电，但与玻璃和尼龙摩擦时带负电。咖啡在办公用纸上几乎不收费。这些数据表明，咖啡在产生静电方面与木材、纤维素和谷物相似。咖啡豆经历研磨过程，导致显着的电解。研磨过程通常会产生尺寸从100 纳米到2 毫米的颗粒。颗粒的分布由研磨设置和咖啡豆的温度控制。虽然研磨会引起微小的火花放电，特别是在研磨机未接地的情况下，但带电的主要后果是形成由静电力聚集在一起的颗粒聚集体。

图3 不同商业咖啡中电荷产生的特征。本文首先研究了三种墨西哥咖啡。咖啡经过不同的烘焙机烘焙成不同的颜色，结果呈现净正电荷、净负电荷、正负电荷等。它表明，仅由起源地并不能决定电荷的极性。烤色和充电关系不大。只有当Agtron值超过70时才会发生正充电。烘烤后内部水分含量与电荷符号和尺寸之间的关系稍好一些。当水分含量增加到2%以上时，电荷由负变为正。 Agrton颜色并不是任何特定咖啡的独特属性，深色咖啡可以通过长时间低温烘焙或快速高温烘焙来获得。烘焙前咖啡的内部水分含量会随着时间的推移而变化，具体取决于储存条件。然后，本文根据颗粒的极性将其分离并测量了它们的大小。正负咖啡粒度分布的示例如图3D 所示。无论烘焙、加工或产地如何，大颗粒咖啡都带有负电荷。细颗粒（100 m）往往带有稍微倾斜的负电荷，或者正负颗粒的丰度相等。中等尺寸颗粒的电荷分布更为复杂。无论净电荷极性如何，直径为100-300 m 的带正电粒子的丰度均达到峰值。对于浅度烘焙咖啡，此尺寸范围内的颗粒丰度超过带负电颗粒的丰度。对于Agtron 值较低的咖啡，最大正电荷仍然存在，但带负电颗粒的数量超过带正电颗粒的数量，无论大小如何。因此可以概括为：深度烘焙的咖啡比浅度烘焙的咖啡带更多的负电荷，大颗粒咖啡带负电荷，而商业烘焙的咖啡则以不可预测的方式带电。

图4 充电与研磨设置和烘焙的关系更精细的研磨设置需要更多的裂缝，以便咖啡流出研磨室。由于动力学理论预测，较细的颗粒具有较高的颗粒温度（假设颗粒具有较大的惯性来克服流体引起的颗粒温度变化），因此单个颗粒将经历多次碰撞。因此，无论极性如何，研磨得越细，通过断裂起电和摩擦起电产生的电荷就越多。此外，测量还表明，在相同的研磨条件下，深度烘焙咖啡确实会产生更细的颗粒（图4C）。与最浅色咖啡相比，最深色咖啡的颗粒大小有100 微米的变化。这也解释了为什么在相同的冲泡参数下，黑咖啡会产生较慢的浓缩咖啡。由于更细的研磨会产生更多的电荷，因此烘焙和电荷之间的直接关系必须包括对图4C 中所示的颗粒尺寸差异的校正。可以手动更改研磨设置并监控粒度数据，直到深度和浅度烘焙咖啡产生相同的粒度分布。使用稍粗的研磨设置研磨深度烘焙咖啡，以获得与使用2.0 研磨最淡咖啡相同的粒度分布。但仅颗粒尺寸的变化无法解释图2 中观察到的趋势。也就是说，无论颗粒尺寸差异如何，深度烘焙咖啡在研磨过程中都会比浅度烘焙咖啡积聚更多的负表面电荷。总结与展望通过对市售咖啡和自烘焙咖啡的对比研究，本文发现许多因素对研磨过程中的添加程度起着重要作用。内部残留水分发挥了作用，浅度烘焙的咖啡（2% 内部水分）具有带正电的特性。干燥的咖啡会转变为大部分带负电荷。极性的大小由研磨设置调节，较粗的研磨比较细的研磨产生更少的电荷。无论产地或加工方法。颜色和水分含量之间的相互作用决定了电荷的变化。烘烤后，颜色不会有太大变化，但内部水分取决于年龄、环境等因素。这就是为什么市售咖啡的表现不如您自己烘焙的咖啡样品的可预测性。即使是相同Agtron值的咖啡，浅色、中色和深色咖啡的烘焙特性也会有显着差异。这项研究表明，咖啡的表面电荷与咖啡的初始水分含量关系不大，而与烘焙咖啡豆的最终水分含量（内部和外部）关系更大。通过添加少量的外部水分，可以有效减少和抑制研磨过程中咖啡的带电过程。在浓缩咖啡冲泡过程中，向咖啡豆中添加水会导致显着不同的流动动力学，从而产生不同口味的咖啡。本文鼓励读者尝试加水，并进一步考虑咖啡质量（控制冲泡比例和最终浓度）和研磨设置（控制流量限制和接触时间）作为变量。添加一些简单的水就可以解决结块、通道和萃取不良的问题，同时也有助于获得最美味的浓缩咖啡。文章来源：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.11.005